(57)【要約】  CMUTチップを有する振動子とバッキング層の境界面で起こる多重反射の影響を抑制することが可能な超音波探触子を提供するために、本発明の超音波探触子は、音響レンズ14と振動子11-1〜11-mとバッキング層12を積層する構造の超音波探触子であって、前記振動子11-1〜11-mは、CMUTチップを有し、前記バッキング層12は、前記音響レンズ14の音響インピーダンスと実質的に同じ値の材料で形成される。
2011105269.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響レンズと振動子とバッキング層を積層する構造の超音波探触子であって、
前記振動子は、CMUTチップを有し、
前記バッキング層は、前記音響レンズの音響インピーダンスと実質的に同じ値の材料で形成されることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
請求項1に記載の超音波探触子であって、
前記バッキング層の音響インピーダンスが、超音波の多重反射を抑制するための値域となる超音波探触子。
【請求項３】
請求項1に記載の超音波探触子であって、
前記振動子の積層方向の厚さを200μmより薄くし、
前記バッキング層は、前記音響レンズの音響インピーダンスと近似する値の材料で形成される超音波探触子。
【請求項４】
請求項1乃至3の何れか一項に記載の超音波探触子であって、
前記バッキング層の音響インピーダンスが前記音響レンズで当接する被検体の音響インピーダンスである超音波探触子。 
【請求項５】
請求項1乃至3の何れか一項に記載の超音波探触子であって、
前記音響レンズの音響インピーダンスの代表値が1.4MRaylである超音波探触子。
【請求項６】
請求項1乃至3の何れか一項に記載の超音波探触子であって、
前記バッキング層の音響インピーダンスが1.1MRayl〜9.4MRaylである超音波探触子。
【請求項７】
請求項1乃至3の何れか一項に記載の超音波探触子であって、
前記振動子の厚さが50μm以下である超音波探触子。
【請求項８】
請求項7の超音波探触子であって、
前記バッキング層の音響インピーダンスが3.7MRayl〜9.4MRaylである超音波探触子。
【請求項９】
請求項1乃至3の何れか一項に記載の超音波探触子であって、
前記振動子の厚さは25μm以下であり、前記バッキング層の音響インピーダンスが3.3MRayl〜7.9Mraylである超音波探触子。
【請求項１０】
請求項1乃至3の何れか一項に記載の超音波探触子であって、
前記振動子の厚さは10μm以下であり、前記バッキング層の音響インピーダンスが1.1MRayl〜1.8MRaylである超音波探触子。
【請求項１１】
請求項1乃至3の何れか一項に記載の超音波探触子であって、
前記振動子の厚さは5μm以下であり、前記バッキング層の音響インピーダンスが2.0MRayl〜9.4MRaylである超音波探触子。
【請求項１２】
請求項1乃至3の何れか一項に記載の超音波探触子であって、
前記振動子の材質はシリコン、前記音響レンズの材質はシリコンゴム、前記バッキング層の材質はブチルゴムである超音波探触子。
【請求項１３】
請求項1乃至3の何れか一項に記載の超音波探触子であって、
前記振動子の厚さは5μm以下で、前記振動子とバッキング層間の接着層厚みが10μm以下である超音波探触子。
【請求項１４】
請求項13に記載の超音波探触子であって、
前記接着層がダイアタッチフィルムである超音波探触子。
【請求項１５】
被検体に超音波を送受波する超音波探触子と、
前記超音波探触子によって得られた信号から画像を作成する画像作成部と、
前記画像を表示する表示部と、
被検体の測定部位の深さに応じて前記超音波探触子の焦点を制御する制御部とを備える超音波撮像装置であって、
前記超音波探触子は、請求項1乃至3の何れか一項に記載の超音波探触子であることを特徴とする超音波撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動子に静電容量型トランスデューサCMUTチップ(Capacitive Micromachined Ultrasound Transducer)チップを用いた超音波探触子に係り、特に多重反射の抑制技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の超音波探触子の振動子の材料には圧電素子が用いられている。近年は超音波探触子の振動子を半導体素子で形成されるCMUTチップが採用されている。【０００３】
CMUTチップは、圧電素子と比べて振動子の音響-電気変換効率が低いため、CMUTチップは圧電素子よりも多重反射を誘発しやすい技術課題を有している。【０００４】
多重反射とは、被検体中の組織の境界などを反射面として、反射面で超音波の反射が繰り返される現象で、超音波探触子の計測範囲で存在しない構造物のアーチファクトが出現してしまう現象をいう。【０００５】
そこで、特許文献1には、CMUTチップを有する振動子の多重反射の問題の解決のため、次の第1の条件と第2の条件の両方を満たすことで振動子1チャンネル当たりの多重反射を低減することが記載されている。【０００６】
まず、第1の条件は、音響レンズの吸収係数をα[dB/mm/MHz]、音響レンズの最大厚さをd[mm]、振動子の中心周波数をfc[MHz]としたときに、6．5/fc＜αdの条件を満たすことである。【０００７】
次に、第2の条件は、振動子の1チャンネル当たりのインダクタンス値をL[H]、振動子の1チャンネル当たりの静電容量をC[pF]、振動子の中心周波数をfc[MHz]として、L＜1/((3πfc)2×C)の条件を満たすことである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開WO2009/069281号公報
【特許文献２】米国特許第6831394号公報
【特許文献３】米国特許第6714484号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記特許文献1は、音響レンズと振動子の境界面において音響レンズと振動子の音響インピーダンスの不整合によって生じる反射波によって被検体に再送信する作用で起こる多重反射の対策技術である。【００１０】
よって、特許文献1では、振動子とバッキング層の境界面において振動子とバッキング層の音響インピーダンスの不整合によって生じる反射波が被検体に至ることで起こる多重反射について言及されていない。【００１１】
そこで、本発明の目的は、CMUTチップを有する振動子とバッキング層の境界面で起こる多重反射の影響を抑制することが可能な超音波探触子とそれを用いた超音波診断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明の超音波探触子は、音響レンズと振動子とバッキング層を積層する構造の超音波探触子であって、前記振動子は、CMUTチップを有し、前記バッキング層は、前記音響レンズの音響インピーダンスと実質的に同じ値の材料で形成されることを特徴とする。【００１３】
まず、振動子から音響レンズ層側(被検体が存在する側)への方向を第1の方向、振動子からバッキング層側(被検体が存在する側の反対側)への方向を第2の方向と定義する。【００１４】
バッキング層が、音響レンズと実質的に同じ音響インピーダンスの材料で形成されることは、音響インピーダンスの変化量が第1の方向と第2の方向で同じになるため、反射波の音響エネルギーは第1の方向と第2の方向で同じ比率に分配されることになる。【００１５】
したがって、反射波は振動子とバッキング層の境界面において、分配された一部の反射波の音響エネルギーのみが第2の方向に伝播する構造となるため、振動子とバッキング層の境界面で起こる多重反射の発生を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、CMUTチップを有する振動子とバッキング層の境界面で起こる多重反射の影響を抑制することが可能な超音波探触子とそれを用いた超音波診断装置を提供するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】発明を採用する超音波診断装置の概略構成を示す図。
【図２】超音波探触子の振動子に複数のCMUTチップを用いたリニア型の超音波探触子の構造例を示す図。
【図３】振動子11-1〜11-mの上面図。
【図４】図2の振動子11-1等を構成するCMUTチップ18の断面図。
【図５】1チャンネルの超音波探触子の断面図。
【図６】図5のモデルを用いて多重反射の原理を説明する図。
【図７】振動子11-1とバッキング層12の境界からの周波数―超音波反射率の特性曲線を示す図。
【図８】振動子11-1の厚さを50μmとしたときの周波数反射率特性曲線を示す図。
【図９】振動子11-1の厚さを25μmとしたときの周波数反射率特性曲線を示す図。
【図１０】振動子11-1の厚さを10μmとしたときの周波数反射率特性曲線を示す図。
【図１１】バッキング層12の音響インピーダンスを1.4MRaylにした場合に周波数に対する反射率を連続して計算した結果の一例を示す図。
【図１２】振動子11-1の厚さを5μmとしたとき、横軸を周波数に対してバッキング層12の音響インピーダンス値を変化させたときの超音波反射率の計算結果を示す図。
【図１３】接着層131を設けた1チャンネルの超音波探触子の断面図。
【図１４】振動子11-1とバッキング層12間の接着層131の厚さと振動子11-1からの超音波の中心周波数を変化させた場合、振動子11-1での超音波反射率mｒを示す図。
【図１５】接着層131に厚さ5μmにした場合周波数に対する反射率を連続して計算した例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の超音波探触子を採用する超音波診断装置について図面を用いて詳細に説明する。
【００１９】
まず、超音波診断装置の概略構成について図1を用いて説明する。
図1は本発明を採用する超音波診断装置の概略構成を示す図である。
超音波診断装置は、超音波探触子1、信号送信部2、信号受信部3、整相加算部4、画像処理部5、画像表示部6、入力部7及び制御部8を有している。
【００２０】
超音波探触子1は、検者が、被検体の撮像部位が存在する表面に当接させ、超音波を撮影部位に送信し、送信した撮影部位からの反射波を受信し、反射エコー信号と呼ばれる電気信号に変換する。
【００２１】
信号送信部2は、電気接続される超音波探触子1に対し、超音波送信のタイミングにおいて撮影部位の存在する深度に焦点を合わせるような超音波を被検体に向けて送信する。
【００２２】
信号受信部3は、超音波受信のタイミングにおいて反射エコー信号を超音波探触子1から受信し、信号増幅、アナログデジタル変換を含む信号処理を行う。
【００２３】
整相加算部4は、信号受信部3によって信号処理された反射エコー信号を整相加算する。
画像処理部5は、整相加算部4に整相加算された反射エコー信号から超音波画像へ変換する。
画像表示部6は、画像処理部5に変換された超音波画像を表示する。
入力部7は、検者が超音波画像を変換するために必要な撮像部位や使用している超音波探触子の情報を入力する。
【００２４】
制御部8は、入力部7に入力された情報に基づき次の制御を行う。
(1)超音波の送信と受信のタイミングを所定間隔で繰り返させる制御。
(2)信号送信部2に送信タイミングで超音波が被検体に向けて送信させる制御。
(3)信号受信部3に受信タイミングで反射エコー信号に信号処理を行わせる制御。
(4)整相加算部4に反射エコー信号を整相加算させる制御。
(5)画像処理部5に整相加算された反射エコー信号から超音波画像へ変換させる制御。
(6)画像表示部6に超音波画像を表示させる制御。
【００２５】
次に、超音波探触子1の構成の一例について図2乃至図4を用いて説明する。
【００２６】
図2は超音波探触子の振動子に複数のCMUTチップを用いたリニア型の超音波探触子の構造例を示す図、図3は振動子11-1〜11-mの上面図、図4は図2の振動子11-1等を構成するCMUTチップ18の断面図である。
【００２７】
超音波探触子1は、短冊状のm個の振動子11-1から11-m(m:例えば64や192等の自然数)が配列された一次元アレイの構造を有し、振動子11-1〜11-mの背面にはバッキング層12が配置されている。また、振動子11-1〜11-mの超音波送出側(図2の上方)には音響レンズ14が配置されている。振動子11-1〜11-mは、送波電気信号を超音波に変換して生体内に超音波を送出するとともに、生体内で反射された超音波を受信して電気信号に変換し、反射信号を形成する。
【００２８】
バッキング層12は、振動子11-1〜11-mの背面側に送出される不要な超音波を吸収するとともに、振動子11-1〜11-mの不要な振動を抑制するために配置されている。
【００２９】
音響レンズ14は、振動子11-1〜11-mの配列方向と直交するいわゆる短軸方向に超音波ビームを収束するものである。
【００３０】
ここで、振動子11-1〜11-mは、図3に示すように、各々が複数個の、例えば六角形の微小なCMUTチップ18によって構成されている。(なお、図3においては、図示の都合上振動子11-3〜11-5の3素子のみを記載している。)個々のCMUTチップ18は、図4を用いてこの後説明するように、電気的にはコンデンサとして見做せるが、振動子11-1〜11-mをそれぞれ構成するCMUTチップ18の群は、上部電極18aが配線18gによって相互に接続され、下部電極18bは共通電極になっているため、複数の並列コンデンサと電気的には同一の働きをする。
【００３１】
1つのCMUTチップ18の構造について図4を用いて説明する。CMUTチップ18は、半導体プロセスの微細加工技術で形成されたものであり、シリコン等の半導体基板である基板18cと、その上に形成された下部電極18bと、支持部となる絶縁体膜18dと、絶縁体膜18dの上部に配置された半導体薄膜18fと、さらにその上に配置された上部電極18aとを備えている。半導体薄膜18fと下部電極18bとの間には、絶縁体膜18dをエッチングすることによって形成された真空(または所定のガス圧)の空孔18ｅが設けられている。
【００３２】
化合物半導体などで構成される半導体薄膜18fは、絶縁体膜18dにより縁を支持され、ちょうど楽器のドラムのように空間に浮いて張られた形状となっている。上部・下部電極18a、18b間にDCバイアス電圧を印加するとクーロン力が生じ、半導体薄膜18fには適度な張力が発生する。超音波送信時には、DCバイアス電圧に重畳して上・下部電極18a、18b間に駆動交流信号が印加されると、楽器のドラムが連打されて音を発するのと同様、CMUTチップ18から超音波が発生する。また、超音波受信時には、このCMUTチップ18に超音波が入射すると、その大きさと波形に比例して電極18a、18b間の距離が変化するから、両電極18a、18bが構成するコンデンサの静電容量が、それに対応して変化する。静電容量の変化を両電極18a、18bの電気信号から検出することにより超音波が受信できる。図3に示すように、振動子11-1〜11-mはそれぞれ、複数個のCMUTチップ18を並列に配置した構成であるので、複数個のCMUTチップ18から同時に超音波信号を発生して生体内に送信し、あるいは同時に複数個のCMUTチップ18で同時に受信して反射信号を形成することができる。
【００３３】
図5はm個ある振動子11-1〜11-mのうち振動子11-1の部分、即ち1チャンネルの超音波探触子の断面図である。
【００３４】
振動子11-1は図面上方に音響レンズ14が形成され、図面下方にバッキング層12が形成される。フレキシブル基板51はバッキング層12の上面周縁から側面に亘って設けられ、CMUTチップ18を駆動するバイアス電圧と駆動電圧を印加する。金属ワイヤ52は振動子11-1の上部電極及び下部電極によってフレキシブル基板51に接続される。探触子カバー53は探触子の側面に設けられるもので、超音波探触子の検者の把持部となっている。
【００３５】
図6は図5のモデルを用いて多重反射の原理を説明する図である。
【００３６】
超音波探触子は被検体に音響レンズ14に当接して超音波画像を撮像する。図6では簡略化のため、被検体の図示を省略している。
【００３７】
まず、超音波診断装置の制御部8は超音波探触子1に被検体に超音波を送信させる。超音波探触子1は被検体からの反射エコー信号60を受信する。
【００３８】
つぎに、反射エコー信号60の一部は、振動子11による音響-電気変換により電気信号に変換されさらに電気信号が信号処理を経て超音波画像へ変換される。しかし、反射エコー60の一部は再送信波61として被検体へ再送信される。再送信波61は被検体から再び反射し多重反射エコー62として音響レンズ14の表面に到達する。
【００３９】
次に、多重反射エコー62について振動子11-1とバッキング層12で異なる音響インピーダンスの境界での現象を説明する。
【００４０】
反射エコー信号60の一部はバッキング層12側への透過波63となり、バッキング層12に吸収される。さらに、多重反射エコー62の一部は振動子11-1とバッキング層12の音響インピーダンスの不整合によって反射波64として反射される。反射波64は音響レンズ14と振動子11-1の音響インピーダンスの不整合によって生じる反射波65と合成され再送信波61が生じる。
【００４１】
さらに、振動子11-1のCMUTチップ18は空孔18eを有しているため、CMUTチップ18の空孔18ｅはバッキング層12から音響レンズ14までの音響エネルギーの伝送路のように作用してしまう。
【００４２】
したがって、CMUTチップ18を有する振動子11-1とバッキング層12の境界からの反射波64が、圧電素子を有する振動子と比較して大きく影響するということができるため、CMUTチップ18を用いた振動子11-1では振動子11-1とバッキング層12の境界からの反射波についてより対策する必要がある。
【００４３】
次に、図6の原理を数式で説明する。
【００４４】
反射エコー60に対する多重反射エコー62の振幅比は、反射率Rと音響レンズの音響減衰率αの自乗以下となることが式(1)で表される。反射率Rは、バッキング層12に吸収される信号63の成分と振動子11-1とバッキング層12の境界での反射波64の信号の成分の和で反射波64の信号の成分を除したものである。
【００４５】
【数１】
2011105269.tif 000003
また、超音波診断装置での経験則によれば、一般に、超音波診断装置では、反射エコー60と多重反射エコー62の振幅比がデシベル値で-20dB以下になれば、超音波画像への影響が現れないとされる。よって、多重反射エコー62の軽減を考慮して式(1)を対数に変形すると式(2)のとおりとなる。
【００４６】
【数２】
2011105269.tif 000004
さらに、式(2)の対数を展開すれば式(3)のようになる。
【００４７】
【数３】
2011105269.tif 000005
ここで、デシベル値に変換した音響レンズ14の減衰率をβ[dB・MHz/mm]とし、音響レンズ14の厚みがd[mm]、探触子の中心周波数をfc[MHz]とすると、音響減衰率αのデシベル換算値20Log10αは-βdfcと表せることを利用して式(3)を変形すれば式(4)のとおりとなる。
【００４８】
【数４】
2011105269.tif 000006
さらにまた、式(4)を指数関数に変換すると式(5)のようになる。
【００４９】
【数５】
2011105269.tif 000007
よって、超音波探触子の音響レンズ14からの見かけ上の反射率Rは、式(5)を満たすように設定すれば多重反射アーチファクトの影響を軽減できることになる。
【００５０】
また、反射率Rの最大値をRmaxとすると、Rmaxは以下のように式(6)で表せる。
【００５１】
【数６】
2011105269.tif 000008
また、超音波探触子の中心周波数fcは、2〜11MHzの範囲で設定される。
音響レンズの厚さdは通常約0.5〜1.2mmである、また、周波数が高い用途で用いられる超音波探触子では、音響レンズ減衰の影響を抑制する必要があるため、音響レンズの厚さを通常より0.5〜0.8mmに薄くする。音響レンズの材料には主にシリコンゴムなどが用いられ、音響減衰率βは1dB・MHz/mmである。
【００５２】
以上の数値範囲において式(6)を満たす反射率の最大値Rmaxを計算する。式(6)を満たすとは、多重反射アーチファクトを影響させないため、反射率の最大値Rmax以下に反射率を抑制することを意味する。
【００５３】
例えば、反射率の最大値Rmaxは、中心周波数〔MHz〕及び音響レンズの厚さによって表1のように計算される。
【００５４】
【表１】
2011105269.tif 000009
【００５５】
また、音響レンズ側から入射する超音波の反射率mrは、振動子11-1、音響レンズ14、バッキング層12の音響インピーダンスをそれぞれZ1、Z2、Z3とし、振動子11の伝播定数をγ1、振動子11の厚さをd1として以下の式(7)で表される(電気学会大学講座 電気回路論(2版改訂298-303頁参照)
【００５６】
【数７】
2011105269.tif 000010
【００５７】
次に振動子11-1とバッキング層12の典型モデルの周波数―超音波反射率の特性について説明する。
【００５８】
図7は、振動子11-1とバッキング層12の境界からの周波数―超音波反射率の特性曲線を示す図である。周波数―超音波反射率の特性曲線は次の条件で計算している。
【００５９】
振動子11-1はCMUTチップ18を含むシリコンで形成されている。振動子11-1の音響インピーダンス、厚さの代表値は19.7MRayl、200μmとする。振動子11-1の厚さが200μm又はそれ以下とする理由は、生体の超音波画像を得るためである。生体の超音波画像を得るのに必要な超音波の中心周波数は2〜14Mzである。また、音響レンズ14はシリコンゴムで形成されている。音響レンズ14の音響インピーダンスの代表値は1．4MRaylである。さらに、バッキング層12は金属と樹脂の混練物で形成されている。バッキング層12の音響インピーダンスの代表値は振動子11-1との整合を考慮して、特許文献2、特許文献3で説明されるように、振動子11-1の音響インピーダンスと同じ19.7MRayに調整している。
【００６０】
図7で示すように、上記周波数―超音波反射率の特性曲線は、表1の中心周波数11MHz、中心周波数7.5MHz、で0.90、中心周波数2MHzで0.80に達している。つまり、表1の中心周波数の全てにおいて反射率の最大値Rmaxを超えているため、全ての中心周波数において多重反射の影響が大きいことを示している。
【００６１】
そこで、本発明の主題は、振動子11-1とバッキング層12の境界からの反射波の多重反射を抑制し得る構造とするため、バッキング層12と音響レンズ14の音響インピーダンスが実質的に同じとするものである。
【００６２】
また、本発明の主題は、次の各項に換言することができる。
【００６３】
(1)音響レンズと振動子とバッキング層を積層する構造の超音波探触子であって、前記振動子は、CMUTチップを有し、前記バッキング層は、前記音響レンズの音響インピーダンスと実質的に同じ値の材料で形成されることを特徴とする超音波探触子。
【００６４】
(2)上記(1)に記載の超音波探触子であって、前記バッキング層の音響インピーダンスが、超音波の多重反射を抑制するための値域となる超音波探触子。
【００６５】
(3)上記(1)又は(2)に記載の超音波探触子であって、前記振動子の積層方向の厚さを200μmより薄くした場合、前記バッキング層は、前記音響レンズの音響インピーダンスと近似する値の材料で形成される超音波探触子。
【００６６】
(4)(1)乃至(3)の何れか一項に記載の超音波探触子であって、前記バッキング層の音響インピーダンスが前記音響レンズで当接する被検体の音響インピーダンスである超音波探触子。
【００６７】
(5)(1)乃至(3)の何れか一項に記載の超音波探触子であって、前記音響レンズの音響インピーダンスの代表値が1．4MRaylである超音波探触子。
【００６８】
(6)(1)乃至(3)の何れか一項に記載の超音波探触子であって、前記バッキング層の音響インピーダンスが1.1〜9.4MRaylである超音波探触子。
【００６９】
(7)(1)乃至(3)の何れか一項に記載の超音波探触子であって、前記振動子の厚さが50μm以下である超音波探触子。
【００７０】
(8)(7)の超音波探触子であって、前記バッキング層の音響インピーダンスが3.7MRayl〜9.4MRaylである超音波探触子。
【００７１】
(9)(1)乃至(3)の何れか一項に記載の超音波探触子であって、前記振動子の厚さは25μm以下であり、前記バッキング層の音響インピーダンスが3.3MRayl〜7.9Mraylである超音波探触子。
【００７２】
(10)(1)乃至(3)の何れか一項に記載の超音波探触子であって、前記振動子の厚さは10μm以下であり、前記バッキング層の音響インピーダンスが1.1MRayl〜1.8MRaylである超音波探触子。
【００７３】
(11)(1)乃至(3)の何れか一項に記載の超音波探触子であって、前記振動子の厚さは5μm以下であり、前記バッキング層の音響インピーダンスが2.0MRayl〜9.4MRaylである超音波探触子。
【００７４】
(12)(1)乃至(3)の何れか一項に記載の超音波探触子であって、前記振動子の材質はシリコン、前記音響レンズの材質はシリコンゴム、前記バッキング層の材質はブチルゴムである超音波探触子。
【００７５】
(13)(1)乃至(3)の何れか一項に記載の超音波探触子であって、前記振動子の厚さは5μm以下で、前記振動子とバッキング層間の接着層厚みが10μm以下である超音波探触子。
【００７６】
(14)(13)の超音波探触子であって、前記接着層がダイアタッチフィルムである超音波探触子。
【００７７】
(15)被検体に超音波を送受波する超音波探触子と、前記超音波探触子によって得られた信号から画像を作成する画像作成部と、前記画像を表示する表示部と、被検体の測定部位の深さに応じて前記超音波探触子の焦点を制御する制御部とを備える超音波撮像装置であって、前記超音波探触子は、(1)乃至(14)の何れか一項に記載の超音波探触子であることを特徴とする超音波撮像装置。
【００７８】
以下に、複数の実施例を説明する。
【実施例１】
【００７９】
実施例1では、振動子11-1の厚さが50μm、25μm、10μm、である場合を説明する。振動子11-1の厚さは超音波反射率が理論上の反射率の最大値を下回る厚さとなったため、50μmを振動子の厚さの基準値とする。また、基準値に対して50％の値として25μm、同様に基準値に対して20％の値として10μmの振動子の厚さを設定している。【００８０】
図8は振動子11-1の厚さを50μmとしたとき、横軸を周波数に対してバッキング層12の音響インピーダンス値を変化させたときの超音波反射率の計算結果を示すグラフである。図9は図8の振動子11-1の厚さを25μmとしたときのグラフ、図10は図8の振動子11-1の厚さを10μmとしたときのグラフである。【００８１】
振動子11-1の材質は音響インピーダンスが19.7MRaylのシリコン、音響レンズ14の材質は音響インピーダンスが1.4Mraylのシリコンゴムとする。音響レンズ14は被検体に当接する部分であるので、被検体の音響インピーダンスと整合させるように、音響レンズ14の音響インピーダンスが設定されることになる。【００８２】
まず、バッキング層12の音響インピーダンスを19.7MRaylとした場合、図8に示されるように、反射率は0.84を大きく超える、つまり、反射率の最大値Rmaxを超えてしまうことが判る。また、図9、図10においても同様の傾向が示される。【００８３】
次に、バッキング層12の音響インピーダンスを、音響レンズ14の音響インピーダンスと同じ1.4MRaylとした場合、図8に示されるように反射率は低くなることが判る。また、図9、図10においても同様の傾向が示される。【００８４】
さらに、式(6)で条件を満たす、例えば、中心周波数11MHzで反射率0.76以下となるのは、図9及び図10に示すように、振動子11-1の厚さ25μm又は10μmの場合である。図9では、バッキング層12の音響インピーダンスが3.3MRayl〜7.9MRaylの範囲である。また、図8に示すように振動子11-1の厚さ50μmでは、式(6)の条件を満たせない。【００８５】
また、中心周波数7.5MHzで反射率0.79以下となるのは、振動子11-1の厚さ50μmの場合でバッキング層12の音響インピーダンスが3.7MRayl〜9.4MRaylの範囲である。【００８６】
また、中心周波数2MHzで反射率0.17以下となるのは、振動子11-1の厚さ10μmの場合でバッキング層12の音響インピーダンスが1.1MRayl〜1.8MRaylの範囲である。【００８７】
また、バッキング層12の音響インピーダンスを、音響レンズ14の音響インピーダンスと実質的に同じ1.4MRaylにした場合、周波数に対する反射率を連続して計算した結果を説明する。図11はバッキング層12の音響インピーダンスを1.4MRaylにした場合に周波数に対する反射率を連続して計算した結果の一例を示す図である。【００８８】
計算の条件は、振動子11-1をシリコン、振動子11-1の厚さを10μm、音響レンズ14とバッキング層12をシリコンゴムとする。また、シリコン及びシリコンゴムの音響インピーダンスは19.7及び1．4で、単位はMRaylである。【００８９】
ここで、超音波探触子の音響レンズの厚さ0.7mmで中心周波数11MHzとした場合、反射率の最大値Rmax=0.50である。計算では11MHzで反射率の最大値が0.48であり、多重反射軽減の条件である式(6)を満たすことが判る。【００９０】
また、バッキング層12と音響レンズ14が実質的に同じ音響インピーダンスを式(8)のように定義することもできる。【００９１】
【数８】
2011105269.tif 000011
式(8)を換言すれば、音響レンズ14の音響インピーダンスとバッキング層12の音響インピーダンスの差の絶対値を振動子11-1の音響インピーダンスで除した値は1より非常に小さい。【００９２】
以上説明したように、実施例1では、超音波の多重反射を抑制するために、バッキング層を音響レンズと実質的に同じ音響インピーダンスの材料で形成されることで、CMUTチップを有する振動子とバッキング層の境界面で起こる多重反射の影響を抑制することができる。【００９３】
また、バッキング層12と振動子11-1の境界の反射率を低くするためには、振動子11-1の厚さを50μmよりは25μm、さらに10μmのように、極力薄くすることが望ましい。
【実施例２】
【００９４】
実施例2では、振動子11-1の厚さが5μmで、バッキング層12をブチルゴムとする場合を説明する。  
図12は振動子11-1の厚さを5μmとしたとき、横軸を周波数に対してバッキング層12の音響インピーダンス値を変化させたときの超音波反射率の計算結果を示す図である。振動子11-1の材質はシリコン、音響レンズ14の材質はシリコンゴム、バッキング層12の材質はブチルゴムである。シリコン、シリコンゴム及びブチルゴムの音響インピーダンスは、それぞれ19.7、1.4、2.0で単位はMRaylである。【００９５】
音響レンズの厚さ1.2mmで探触子の中心周波数3MHzとした場合、反射率の最大値Rmaxは0.23である。図12における計算では3MHzで反射率0.19であり、多重反射軽減の条件である式(6)を満たすことが判る。【００９６】
以上説明したように、実施例2では、実施例1と同様に、CMUTチップを有する振動子とバッキング層の境界面で起こる多重反射の影響を抑制することができる。【００９７】
また、実施例2では、振動子11-1の厚さを実施例1と比較してさらに5μmと薄くした。さらに、バッキング層12の音響インピーダンスを実施例1の1.4倍とした。しかし、振動子11-1の厚さを薄くすることで、バッキング層12の音響インピーダンスが増加してもCMUTチップを有する振動子とバッキング層の境界面で起こる多重反射の影響を抑制することができる。【００９８】
よって、振動子11-1の厚さを薄くすれば、バッキング層12の音響インピーダンスの許容範囲を有した材質を選択することができる。換言すれば、振動子11-1の積層方向の厚さをより薄くした場合、バッキング層12は、音響レンズ14の音響インピーダンスと近似する値の材料で形成できる。
【実施例３】
【００９９】
実施例3では、振動子11-1とバッキング層12の間に接着層131を設けた場合を説明する。【０１００】
図13は接着層131を設けた1チャンネルの超音波探触子の断面図である。【０１０１】
接着層131の材質はたとえばダイアタッチフィルムやシリコン接着剤、エポキシ樹脂等である。接着層131の音響インピーダンスをZ12，接着層131の伝播定数をγ12、接着層131の厚さをd12とすると音響レンズ14側から入射する超音波の反射率mrは以下の式(9)で表される。【０１０２】
【数９】
2011105269.tif 000012
【０１０３】
図14は振動子11-1とバッキング層12間の接着層131の厚さと振動子11-1からの超音波の中心周波数を変化させた場合、振動子11-1での超音波反射率mｒを示す図である。図14の例では接着層131の厚さを10μm、20μm、50μm及び100μmに変化させている。また、振動子11-1の材質はシリコン、振動子11-1の厚さは10μm、音響レンズ14とバッキング層12の材質はシリコンゴム、振動子11-1とバッキング層12間の接着層131の材質はダイアタッチフィルムとする。シリコン、シリコンゴム及びダイアタッチフィルムの音響インピーダンスは、それぞれ19.7、1.4及び2.5で、単位はMraylである。接着層131の厚さが厚く変化するに従い、反射率が特定の周波数において局所的に低下するようになる。図14の例では、接着層131の厚さが50μmで16Mz付近、接着層131の厚さが100μmで9、18Mz付近で反射率が局所的に低下する。【０１０４】
また、接着層131の厚さが10μm及び20μmでは反射率の局所的低下は見られない。反射率の局所的低下の原因はダイアタッチフィルム上下界面での共振によるものと判明している。前記共振は超音波送受信時にリンギングノイズを生じるため、パルス特性に影響を与える。よって、接着層131の厚さは100μmより50μm、20μmさらに10μmと薄くする方がノイズ低減から望ましい。【０１０５】
また、接着層131に厚さ5μmにした場合、周波数に対する反射率を連続して計算した結果を説明する。図15は接着層131に厚さ5μmにした場合周波数に対する反射率を連続して計算した例を示す図である。【０１０６】
計算の条件は、次のとおりとする。  
振動子11-1の材質はシリコン、振動子11-1の厚さは10um、音響レンズ14の材質はシリコンゴム、バッキング層12の材質はポリエチレン、振動子11-1とバッキング層12間の接着層131の材質はダイアタッチフィルムである。シリコン、シリコンゴム及びポリエチレンの音響インピーダンスは、19.7、1．4及び1.8で、単位はMraylである。【０１０７】
音響レンズの厚さ1.0mmで探触子の中心周波数7.5MHzとした場合、反射率の最大値Rmaxは0.56である。図15に示す計算では7.5MHzで反射率0.37であり、多重反射軽減の条件である式(6)を満たすことが判る。【０１０８】
以上説明したように、実施例3では、実施例1と同様に、CMUTチップを有する振動子とバッキング層の境界面で起こる多重反射の影響を抑制することができる。【０１０９】
さらに、第3の実施例ではCMUTチップ21とバッキング層23間の接着層111の厚さを薄くすることで超音波送受信時の音響特性への影響を抑制し、パルス特性を向上させつつ反射率を軽減することができる。
【符号の説明】
【０１１０】
11-1〜11-m  振動子、12  バッキング層、14  音響レンズ、18  CMUTチップ
【図１】
2011105269.tif 000013
【図２】
2011105269.tif 000014
【図３】
2011105269.tif 000015
【図４】
2011105269.tif 000016
【図５】
2011105269.tif 000017
【図６】
2011105269.tif 000018
【図７】
2011105269.tif 000019
【図８】
2011105269.tif 000020
【図９】
2011105269.tif 000021
【図１０】
2011105269.tif 000022
【図１１】
2011105269.tif 000023
【図１２】
2011105269.tif 000024
【図１３】
2011105269.tif 000025
【図１４】
2011105269.tif 000026
【図１５】
2011105269.tif 000027
【手続補正書】
【提出日】平成24年8月20日(2012.8.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
まず、第1の条件は、音響レンズの吸収係数をα[dB/mm/MHz]、音響レンズの最大厚さをd[mm]、振動子の中心周波数をfc[MHz]としたときに、6.5/fc＜αdの条件を満たすことである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
【図１】発明を採用する超音波診断装置の概略構成を示す図。
【図２】超音波探触子の振動子に複数のCMUTチップを用いたリニア型の超音波探触子の構造例を示す図。
【図３】振動子11-1〜11-mの上面図。
【図４】図2の振動子11-1等を構成するCMUTチップ18の断面図。
【図５】1チャンネルの超音波探触子の断面図。
【図６】図5のモデルを用いて多重反射の原理を説明する図。
【図７】振動子11-1とバッキング層12の境界からの周波数―超音波反射率の特性曲線を示す図。
【図８】振動子11-1の厚さを50μmとしたときの周波数反射率特性曲線を示す図。
【図９】振動子11-1の厚さを25μmとしたときの周波数反射率特性曲線を示す図。
【図１０】振動子11-1の厚さを10μmとしたときの周波数反射率特性曲線を示す図。
【図１１】バッキング層12の音響インピーダンスを1.4MRaylにした場合に周波数に対する反射率を連続して計算した結果の一例を示す図。
【図１２】振動子11-1の厚さを5μmとしたとき、横軸を周波数に対してバッキング層12の音響インピーダンス値を変化させたときの超音波反射率の計算結果を示す図。
【図１３】接着層131を設けた1チャンネルの超音波探触子の断面図。
【図１４】振動子11-1とバッキング層12間の接着層131の厚さと振動子11-1からの超音波の中心周波数を変化させた場合、振動子11-1での超音波反射率mrを示す図。
【図１５】接着層131に厚さ5μmにした場合周波数に対する反射率を連続して計算した例を示す図。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
つぎに、反射エコー信号60の一部は、振動子11-1による音響-電気変換により電気信号に変換されさらに電気信号が信号処理を経て超音波画像へ変換される。しかし、反射エコー60の一部は再送信波61として被検体へ再送信される。再送信波61は被検体から再び反射し多重反射エコー62として音響レンズ14の表面に到達する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５５】
また、音響レンズ側から入射する超音波の反射率mrは、振動子11-1、音響レンズ14、バッキング層12の音響インピーダンスをそれぞれZ1、Z2、Z3とし、振動子11-1の伝播定数をγ1、振動子11-1の厚さをd1として以下の式(7)で表される(電気学会大学講座 電気回路論(2版改訂298-303頁参照)。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５９】
振動子11-1はCMUTチップ18を含むシリコンで形成されている。振動子11-1の音響インピーダンス、厚さの代表値は19.7MRayl、200μmとする。振動子11-1の厚さが200μm又はそれ以下とする理由は、生体の超音波画像を得るためである。生体の超音波画像を得るのに必要な超音波の中心周波数は2〜14MHzである。また、音響レンズ14はシリコンゴムで形成されている。音響レンズ14の音響インピーダンスの代表値は1.4MRaylである。さらに、バッキング層12は金属と樹脂の混練物で形成されている。バッキング層12の音響インピーダンスの代表値は振動子11-1との整合を考慮して、特許文献2、特許文献3で説明されるように、振動子11-1の音響インピーダンスと同じ19.7MRaylに調整している。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６７】
(5)(1)乃至(3)の何れか一項に記載の超音波探触子であって、前記音響レンズの音響インピーダンスの代表値が1.4MRaylである超音波探触子。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８８】
計算の条件は、振動子11-1をシリコン、振動子11-1の厚さを10μm、音響レンズ14とバッキング層12をシリコンゴムとする。また、シリコン及びシリコンゴムの音響インピーダンスは19.7及び1.4で、単位はMRaylである。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０３】
図14は振動子11-1とバッキング層12間の接着層131の厚さと振動子11-1からの超音波の中心周波数を変化させた場合、振動子11-1での超音波反射率mrを示す図である。図14の例では接着層131の厚さを10μm、20μm、50μm及び100μmに変化させている。また、振動子11-1の材質はシリコン、振動子11-1の厚さは10μm、音響レンズ14とバッキング層12の材質はシリコンゴム、振動子11-1とバッキング層12間の接着層131の材質はダイアタッチフィルムとする。シリコン、シリコンゴム及びダイアタッチフィルムの音響インピーダンスは、それぞれ19.7、1.4及び2.5で、単位はMraylである。接着層131の厚さが厚く変化するに従い、反射率が特定の周波数において局所的に低下するようになる。図14の例では、接着層131の厚さが50μmで16MHz付近、接着層131の厚さが100μmで9、18MHz付近で反射率が局所的に低下する。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０６】
計算の条件は、次のとおりとする。  
振動子11-1の材質はシリコン、振動子11-1の厚さは10um、音響レンズ14の材質はシリコンゴム、バッキング層12の材質はポリエチレン、振動子11-1とバッキング層12間の接着層131の材質はダイアタッチフィルムである。シリコン、シリコンゴム及びポリエチレンの音響インピーダンスは、19.7、1.4及び1.8で、単位はMraylである。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０９】
さらに、第3の実施例ではCMUTチップ18とバッキング層12間の接着層131の厚さを薄くすることで超音波送受信時の音響特性への影響を抑制し、パルス特性を向上させつつ反射率を軽減することができる。
【国際調査報告】
2011105269.tif 000028
2011105269.tif 000029
2011105269.tif 000030